Течение и результаты флотационного процесса зависят от многих факторов. К ним относятся: минеральный состав, характер вкрапленности и другие свойства полезного ископаемого, гранулометрическая характеристика твердой фазы, плотность и температура пульпы, состав воды, реагентный режим, конструкция флотационной машины и др. Оптимальное значение каждого из этих факторов должно быть установлено и его надо поддерживать постоянным. Нарушение хотя бы одного из этих оптимумов может полностью расстроить весь процесс.
Флотируемость руд и углей определяется их минеральным составом (свойствами отдельных минералов и их количественным соотношением), характером срастания минералов, наличием в них изоморфных примесей, вторичными изменениями минералов (выветриванием, окислением и пр.). Классификация минералов по их флотационным свойствам. Флотационные свойства отдельных минералов суммированы Г. С. Бергером.
На флотацию сильно влияют и особенности образования минералов, их изменения в процессах добычи, транспортирования, хранения и обогащения, сочетание различных минералов и их срастание.
Как показано В. А. Глембоцким с сотрудниками, минералы одного и того же наименования и близкие по составу часто обладают весьма различными флотационными свойствами. Например, такие кристаллографически определенные минералы, как галенит и сфалерит, взятые из разных месторождений, обладают существенно различными флотационными свойствами. В частности, сфалерит различной окраски (в зависимости от примеси железа), по-разному взаимодействует с ксантогенатами. Кальцит и барит из отдельных месторождений флотируют весьма различно.
В процессах добычи и последующего хранения отмечается изменение флотационных свойств руд и углей. Обычно их флотируемость ухудшается в связи с дополнительным окислением поверхности частиц.
В зависимости от имеющейся ассоциации минералов возможность их разделения флотацией может значительно изменяться. Так, например, флотация флюорита и фосфата от кварца не представляет каких-либо трудностей, однако, если пустая порода представлена кальцитом или доломитом, флотация крайне осложняется. Флотационное отделение сульфидных минералов от несульфидных является обычно простой операцией. Отделение нескольких сульфидных минералов друг от друга или разделение сульфидных минералов, частично окисленных, осуществить значительно труднее.
Условия образования полезных ископаемых (генезис) определяют их строение и сильно влияют на флотационные свойства. Так, например, сульфидные минералы, образующиеся под высоким давлением вследствие выделения из расплавленных магм или осаждения из горячих водных растворов, отличаются обычно большей плотностью и не имеют пор. Размеры отдельных кристаллов относительно велики. В результате окисления и выщелачивания, сульфидных руд, а также осаждения их из водных растворов, образуются окисленные руды, состоящие из окислов, сульфатов, карбонатов и силикатов. Эти руды обычно характеризуются мелкокристаллическим строением и пористостью. При их измельчении часто образуются тонкие шламы.
Значительную роль играет последовательность образования отдельных минералов. Часто ранее образовавшиеся минералы разломаны и затем сцементированы более молодыми минералами, пересекающими их в виде жилок. Цементирующие минералы отличаются большей мягкостью. Поэтому при измельчении руд часто образуются тонкие шламы.
Иногда в процессе образования руд имеет место вторичное обогащение, заключающееся в химическом взаимодействии частиц первичных минералов с растворами, содержащими соли других металлов. В результате вторичного обогащения на поверхности первичных минералов образуются тонкие пленки различного состава (например, пирит покрывается пленкой халькозина, халькопирит — ковеллина, сфалерит - аргентита и т. д.),
Горячие водные растворы, циркулирующие в горных породах, способны вызывать значительные изменения руд, сильновлияющие на их флотационные свойства. Особенно важны два типа таких изменений: окремнение и каолинизация, хлоритизация и серитизация. В первом случае минералы цементирует кремнезем. Во втором случае образуется много самых различных микрокристаллических минералов, вызывающих появление значительных количеств тонких и тончайших шламов, размеры частиц которых измеряются десятыми и сотыми долями микрона.
Измельчение материала перед флотацией необходимо для разделения сростков отдельных минералов и доведения крупности частиц до таких размеров, при которых возможно осуществление флотации. В соответствии с этим характеристики крупности исходного материала влияют на флотацию двумя путями — изменением флотируемости частиц в зависимости от их крупности и степени раскрытия сростков. Иногда приходится измельчать руду в соответствии с кондициями на концентраты, например апатитовые концентраты должны быть .достаточно тонкими.
Из приведенных выше данных видно, что для флотации, протекающей с достаточной скоростью и избирательностью, необходимо добиваться оптимальной гранулометрической характеристики флотируемого материала. Флотация осуществляется лучше всего при некоторой средней крупности частиц. Присутствие в пульпе тонких шламов обычно ухудшает флотацию, снижает ее скорость и избирательность, вызывает увеличение расхода реагентов. Слишком крупные частицы в обычных условиях флотируют плохо, остаются в хвостах. Оптимальные условия флотации (реагентный режим, плотность пульпы и др.) изменяются при флотации материала разной крупности.
Для разделения минералов при флотации предварительно должны быть разрушены сростки различных минералов при измельчении материала или, как иногда говорят, минералы должны быть «раскрыты».
Количественную оценку степени раскрытия минералов получают при определении (под микроскопом) соотношения числа свободных частиц отдельных минералов и числа сростков, состоящих из этих минералов. По этим данным с учетом плотности минералов можно рассчитать весовое соотношение сростков и свободных частиц.
В подавляющем большинстве случаев не достигается полное раскрытие всех сростков, поскольку для этого требуется слишком тонкое измельчение материала, при котором переизмельчаются также свободные частицы. Переизмельчение объясняется двумя причинами:
Поэтому при флотации опытным путем определяют такое измельчение руды, при котором:
достаточно полно раскрываются сростки, позволяющие получить кондиционные концентраты и отвальные хвосты;
отсутствуют крупные частицы, флотация которых невозможна, вследствие их больших размеров;
получают минимальное количество тонких шламов. При этом стремятся обойтись как можно более крупным ^измельчением руды, облегчая тем самым сгущение, фильтрацию и сушку концентратов, и, главное, повышая производительность мельниц.,
Оптимальную тонкость измельчения определяют в первом приближении опытным путем в лабораторных условиях.
Флотационные свойства сростков зависят в основном от доли отдельных минералов в общей поверхности частиц, которая определяется не только соотношением минералов в частице, но и формой их срастания. Когда сростки состоят из двух минералов, можно представить себе четыре основные формы их срастания
В первом случае сростки раскрываются при измельчении наиболее полно, что зависит также от четкости контактов частиц. Во втором случае зерно одного минерала покрывается как бы пленкой другого минерала. В частном случае эта пленка может быть продуктом окисления и гидратации первого минерала. Флотационную активность таких сростков нельзя оценивать по их количественному и минеральному составу. Сростки рассматриваемого типа лучше всего раскрываются при разрушении частиц не ударами, а истиранием. Примером такого типа сростков являются пленки халькозина на халькопирите, лимонита на кварците и др.
В третьем случае один из минералов образует относительно тонкодисперсные включения в другом. Срощенность такого типа сильнее всего затрудняет флотационное разделение минералов, так как требуется очень тонкое их измельчение, которое далеко не всегда обеспечивает достаточную полноту раскрытия сростков.
В четвертом случае разделение сростков минералов при измельчении весьма затруднительно, но в меньшей мере.
Практически формы срастания минералов гораздо сложнее, так как часто имеется одновременно несколько форм с участием не двух, а многих минералов. Поэтому необходим тщательный анализ сростков, в первую очередь — под микроскопом. Известное значение имеет также разделение разных классов крупности в тяжелых жидкостях.
Для наиболее рационального измельчения руд перед флотацией используются приемы, связанные с регулировкой работы мельниц и применением различных схем.
Большое значение имеют правильно выбранная и экспериментально подтвержденная стадийность измельчения и классификация. При тонком измельчении руды операции классификации совершенно обязательны. К их числу относится не только контрольная классификация с возвратом всех (или части) песков в измельчение, но и предварительная классификация руды, и контрольная классификация слива классификатора. Оба последних случая применяют при измельчении легкошламуемых и переизмельчаемых руд.
В каждом конкретном случае имеется экономически наиболее выгодная степень раскрытия минералов, которая зависит не только от технических соображений, но и от производительности фабрики и содержания полезных минералов в руде.
Одним из важных факторов, влияющим на флотацию, является соотношение твердой и жидкой фаз пульпы. Существуют показатели, применяемые для характеристики этого соотношения.
Чаще всего для точных расчетов на практике пользуются первым показателем. Консистенцию пульпы рассчитывают в специальных случаях при исследованиях.
Плотность пульпы весьма разносторонне влияет на флотацию.
С увеличением плотности пульпы при постоянном объеме флотационных машин и производительности фабрики продолжительность нахождения пульпы в этих машинах возрастает.
Объемная концентрация реагентов также увеличивается с увеличением плотности пульпы (при сохранении постоянного расхода реагента, отнесенного к единице веса флотируемого материала). В ряде случаев повышение плотности пульпы увеличивает извлечение. С этих точек зрения, казалось бы, целесообразно флотировать пульпу максимальной плотности. Однако при чрезмерном увеличении плотности пульпы резко ухудшается аэрация пульпы и флотация крупных частиц, происходит более интенсивная флотация тонких частиц пустой породы, что ухудшает качество концентрата. Флотация разбавленных пульп позволяет обычно получать более чистые концентраты, но извлечение при этом снижается.
Поэтому в каждом случае необходимо устанавливать опытным путем наиболее выгодную плотность пульпы. Обычно в практике флотации применяют плотность пульпы в пределах 15—40% твердого. Уменьшение плотности пульпы в перечистных флотациях связано с необходимостью получения наиболее чистых концентратов (в разбавленных пульпах ухудшаются условия перевода в пену тонких фракций пустой породы, обычно загрязняющей концентраты). Особенно важно применение разбавленных пульп при значительном содержании в них тонких шламов.
В пенных продуктах обычно содержится больше твердых частиц, чем в пульпе, поэтому по фронту флотации от камеры к камере происходит заметное разбавление пульпы.
В условиях развитых схем обогащения иногда приходится применять специальное разбавление или даже сгущение продуктов. Разбавление пенных продуктов водой обычно производится подачей воды в желоба флотационных машин. При этом воду одновременно используют для разрушения пены. В результате многократной циркуляции промежуточных продуктов в схеме флотации устанавливается некоторое постоянство плотности пульпы в отдельных операциях. Налаживание процесса требует известного времени. Следует остерегаться обводнения процесса вследствие чрезмерного добавления воды.
С повышением температуры пульпы увеличивается скорость большинства процессов, происходящих на поверхностях раздела фаз; повышение температуры пульпы интенсифицирует флотацию.
При применении ксантогенатов влияние температуры пульпы гораздо менее заметно, чем при флотации жирными кислотами, потому что ксантогенаты хорошо растворяются в холодной воде. Однако при флотации сульфидных минералов изменением температуры пульпы можно регулировать окислительные процессы и пенообразование. Обычно при флотации в холодной воде требуется больший расход пенообразователя.
Из практики зарубежных обогатительных фабрик, перерабатывающих руды цветных металлов, известны примеры значительного влияния температуры пульпы на флотацию.
Так, например, на фабрике «Магма» (США) отмечено отрицательное действие значительного повышения температуры пульпы в шаровых мельницах, что связывается с излишним окислением при этом борнита. Наиболее часто применяют подогрев пульпы перед флотацией сфалерита при переработке свинцово-цинковых руд, а также для десорбции собирателя с медно-молибденовых концентратов. Весьма показательна практика регулирования температуры пульпы на фабрике «Без Металс-Майнинг». В основной свинцовой флотации температура пульпы равна 13 °С, в очистной свинцовой 8 °С, в основной цинковой 16 °С и в очистной цинковой 32 °С.
Состав воды, в которой осуществляется флотация, весьма существенно влияет на этот процесс. В воде находятся различные ионы (влияющие на флотацию и изменяющие рН воды), растворенные газы и различные коллоидные и органические примеси.
Все природные воды соприкасаются в своем круговороте с огромным числом минералов и веществ, подверженных в той или иной мере растворению. При этом природная вода растворяет различные химические вещества.
К числу главных компонентов, встречающихся в природных водах, относятся следующие ионы: хлорида С1~, сульфата 5О4~, гидрокарбоната НСО^~, карбоната СО|~~, натрия, калия, кальция, магния и водорода. К главным компонентам относятся и газы — кислород, углекислый газ и сероводород, находящиеся в воде в молекулярной форме. Кроме того, в природной воде могут присутствовать, хотя и в меньших, но вполне достаточных для влияния на флотацию количествах, ионы всех галоидов, железа, марганца, кремневой кислоты и др.
Взаимодействуя в процессах измельчения, классификации и флотации с измельченными полезными ископаемыми, вода дополнительно насыщается содержащимися в них ионами.
Вследствие некоторой растворимости ряда минералов они могут значительно изменять рН пульпы.
Кроме неизбежных ионов природные воды могут содержать органические и неорганические соединения в коллоидном виде. Воды, поступающие из болот и застойных прудов, могут содержать гумусовые и другие органические кислоты.
Неизбежные ионы различно и весьма сильно влияют на флотацию. Особенно заметно это влияние при флотации несульфидных минералов (окислов, силикатов, алюмосиликатов, полярных солеобразных минералов с щелочно-земельными катионами) при помощи жирных кислот и их мыл. В исследованиях (М. А. Эйгелеса, Кребера и Боппеля, В. А. Глембоцкого и др.) показано, что -даже весьма незначительное количество неизбежных ионов может резко изменить весь ход флотационного процесса.
Влияние неизбежных ионов на флотацию может быть следствием двух причин:
неизбежные ионы, закрепляясь на поверхностях, изменяют их флотационные свойства;
неизбежные ионы могут вступать в химическую реакцию с реагентами. Так, например, ионы кальция образуют с жирными кислотами малорастворимые кальциевые мыла, ионы тяжелых металлов с ксантогенатами щелочных металлов образуют малорастворимые ксантогенаты соответствующих тяжелых металлов.
Нежелательное влияние неизбежных ионов на флотацию предотвращают и регулируют применением соответствующих реагентов. Сода и некоторые другие щелочи выводят в нерастворимые соединения ионы кальция и железа. Ионы меди (и других тяжелых металлов), активирующие цинковую обманку, переводятся во флотационно-неактивный анион.
Изменением рН пульпы можно регулировать растворимость минералов и, следовательно, концентрацию неизбежных ионов в жидкой фазе пульпы.
Большое значение имеет также правильный выбор реагента-собирателя. Наглядным примером устранения нежелательного действия неизбежных ионов на флотацию является применение катионных собирателей вместо жирных кислот. Эти группы реагентов, как известно, обладают весьма различными флотационными свойствами. В частности, катионные реагенты почти не реагируют на присутствие в воде солей жесткости. Например, флотация эстонских фосфоритов в морской воде с помощью жирных кислот протекала неудовлетворительно, с помощью же реагента ИМ-11 осуществлялась нормально.
Изменение концентрации в пульпе растворенных газов, прежде всего кислорода, значительно влияющего на процесс флотации, может происходить как в связи с качеством исходной воды, так и в процессе флотации. Известен пример резкого снижения концентрации кислорода в озерной воде, поступающей на фабрику. В зависимости от минерального состава руды при ее измельчении и классификации происходит резкое снижение концентрации кислорода в пульпе. В тех случаях, когда кислород улучшает флотацию, полезно применять специальную предварительную аэрацию пульпы, насыщая ее кислородом воздуха.
Под реагентным режимом флотации подразумевают ассортимент применяемых реагентов, их расход, порядок подачи в процесс и продолжительность контакта реагентов с пульпой.
Подача реагентов в процесс происходит в следующей последовательности. Вначале к пульпе добавляются реагенты-регуляторы, изменяющие рН среды, подавители и другие, затем собиратель и в последнюю очередь пенообразователь. Эта общая схема может иметь много разновидностей и уточнений. Так, например, при флотации несульфидных руд жирными кислотами, при активирующем действии ионов железа, получающихся в измельчении, целесообразно добавление соды в мельницы (для перевода железа в малорастворимые гидроокиси). Иногда оказывается полезным добавить жидкое стекло в слив мельниц для пептизации пульпы в классификаторах.
При необходимости длительного контакта с минералами реагенты-регуляторы подают в специальные контактные чаны или в насосы, подающие пульпу в эти чаны (для увеличения продолжительности контакта и лучшего перемешивания реагента).
Для реагентов-собирателей обычно необходим контакт с пульпой в течение нескольких минут, поэтому их подают в контактный чан. Причем необходимо, чтобы компоненты пульпы предварительно прореагировали с реагентами-регуляторами. Поэтому иногда приходится устанавливать дополнительный контактный чан для раздельного контакта пульпы с реагентами-регуляторами и собирателями. При быстром и не особенно избирательном взаимодействии минералов с собирателем целесообразно подавать этот реагент не сразу, а отдельными порциями (так называемая дробная подача реагента). При этом часть реагента (обычно большую) подают в контактный чан, а остальные порции — в отдельные камеры флотационных машин. Если применяют машины механического типа, то добавочные порции реагента следует подавать в пульпу, поступающую на импеллер. Соотношение расхода реагентов в отдельных точках, при котором получаются лучшие результаты, подбирают экспериментально. Примером целесообразной дробной подачи реагентов-собирателей является флотация каменных углей.
Если необходимо воздействие собирателя на свежеобнаженные минеральные грани, реагент подают в мельницу. Иногда при большой скорости взаимодействия собирателей с минералами эти реагенты можно подавать во флотационную машину, не применяя контактного чана.
Реагенты-пенообразователи подают, как правило, после собирателя непосредственно во флотационную машину. Продолжительность их контакта с пульпой обычно составляет 1—2мин.
Для правильного использования реагентов большое значение имеет способ их подготовки перед дозированием. При применении реагентов в виде растворов необходимо подобрать оптимальную концентрацию этих растворов. Слишком разбавленные растворы применять неудобно ввиду их большого объема. Однако нельзя применять и излишне концентрированные растворы, которые трудно дозировать (вследствие высокой вязкости) или доставлять по трубопроводам. Концентрированные растворы жидкого стекла, отлагаясь на стенках реагентопроводов, закупоривают их. Иногда в концентрированных растворах реагенты изменяют свои свойства (например, крахмал и олеат натрия образуют плохо диспергируемые в воде мицеллы).
Количество поступающей во флотационные машины пульпы и ее плотность должны быть постоянными. Объем пульпы, поступающей в машину, должен обеспечивать оптимальную продолжительность флотации. При избыточно большой нагрузке продолжительность флотации будет меньше необходимого, что приведет к получению богатых хвостов (низкого извлечения полезного ископаемого в концентрат). При недостаточной нагрузке на машины продолжительность флотации будет слишком большой, что может привести к флотации частиц пустой породы и, следовательно, к понижению качества концентрата. Без контроля плотности пульпы нельзя ее регулировать. Должен быть организован автоматический контроль плотности пульпы.
В основной флотации чаще всего следует стремиться к тому, чтобы все необходимое количество пены было снято до последней камеры, что обеспечивает хорошее качество хвостов. Иногда при флотации быстроокисляющихся и растворимых в воде минералов полезно флотировать их как можно быстрее.
В перечистной флотации во всех камерах обычно поддерживают относительно толстый слой пены для получения более богатых концентратов.